煤层气钻井工程设计

ChinaUniversityofPetroleum,Beijing煤层气钻井工程设计张遂安教授/主任中国石油大学（北京）煤层气研究中心13901129720sazhang@263.netChinaUniversityofPetroleum,Beijing既要坚持科学态度，积极采用新工艺、新技术、新设备和新材料又要制定合理、简单可靠的技术工艺流程，减少投资，降低成本同时便于生产管理，正确处理技术先进与经济合理的关系钻井工程设计原则ChinaUniversityofPetroleum,Beijing钻井工程设计类型A.煤层气钻井工程技术（通常由作业者起草）B.煤层气钻井设计（通常由施工者编制）a.煤层气钻井工程施工设计（参见《煤层气钻井工程施工设计格式》）b.煤层气地质录井施工设计（参见《煤层气地质录井施工设计格式》）c.煤层气测井施工设计（参见《煤层气测井作业规程》）d.煤层气固井施工设计e.煤层气试井施工设计f.煤层气分析测试设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing1.前言1.1井位及基本参数1.2工程目的1.3设计依据1.4地质背景1.5采用技术2.地质设计2.1完井原则与井深设计2.2钻遇地层预测与故障提示2.3地质录井设计2.4地球物理测井设计2.5取芯与测试设计2.6煤层气试井设计3.工程设计3.1工程设计步骤3.2井身结构设计3.3钻井循环介质设计3.4取心设计3.5固井工程设计技术方案设计提纲ChinaUniversityofPetroleum,Beijing1.前言1.1井位及基本参数通常，为了简明地表达其工程特性，在设计的开篇大多先列出设计井的一些基本参数。一般包括以下基本参数：井号：井的类型：指明设计井为取芯井、还是生产试验井还是开发井。设计坐标：纵(X)：横(Y)：标高：地理位置：构造位置：目的煤层：包括用于气含量测定的取芯目的煤层、试井的主要煤层以及将要进行压裂排采的主要煤层。设计井深：完井层位：ChinaUniversityofPetroleum,BeijingA.参数井——取全取准各类煤储层参数：包括煤层厚度、煤层埋藏深度、煤岩煤质、煤层气含量、煤的吸附常数与等温吸附曲线、煤及其顶底板的力学性质、储层压力、煤层渗透率、原地应力等。B.生产试验井(单井)——获取储层评价或产能评价必须的实际的生产数据及相关的工程参数。在获得较为理想的煤储层实测参数的基础上，进一步对主要煤层进行水力压裂和排采试验。C.先导性试验井组——获取储层评价或产能评价必须的实际的井组生产数据及相关的工程参数。D.生产井——以施工高质量井和获得高产气井为主要工程目的。1.前言1.2工程目的ChinaUniversityofPetroleum,Beijing本设计是在以往大量的煤田地质勘探成果和煤层气资源评价以及勘探开发基础上进行的，本设计所依据的主要资料有：井田煤田地质详查报告井田煤田地质精查报告煤层气参数井和煤层气生产试验井成果煤层气勘探开发成果等1.前言1.3设计依据ChinaUniversityofPetroleum,Beijing地层构造煤系煤层等1.前言1.4地质背景ChinaUniversityofPetroleum,Beijing1.前言1.5采用技术标准国家标准GB/T19559—2004煤层气含量测定方法GB/T19560—2004煤的高压等温吸附实验方法（容量法）企业标准煤层气钻井工程质量验收评级标准煤层气钻井工程作业规程煤层气地质录井作业规程煤层气测井作业规程煤层气井注入/压降试井技术煤层气井压裂技术规范煤层气井排采工程技术规范ChinaUniversityofPetroleum,Beijing2.地质设计2.1完井原则与井深设计考虑到排采过程中需要留有一定砂袋，因此煤层气井完井基本原则是钻至最下一个目的煤层底界之下40～60m完钻。ChinaUniversityofPetroleum,Beijing2.地质设计2.2钻遇地层预测与故障提示根据本区地层条件，预计钻遇的主要地层如表所示。各井预想柱状图见“井身结构与预想柱状图”。表晋城预计钻遇的主要地层及钻井工程故障提示表 地层 代号 故障提示 系 统 组 第四系 Q 防塌、防漏、防斜 二叠系 上统 上石盒子组 P2s 防斜、防漏、防涌 下统 下石盒子组 P1x 山西组 P1s 石炭系 上统 太原组 C3t 中统 本溪组 C2b 奥陶系 中统 峰峰组 O2f 防漏、防涌ChinaUniversityofPetroleum,Beijing地质录井执行《煤层气地质录井作业规程》。煤层气井钻井过程中的地质录井应包括以下几个方面：1）岩煤屑录井非煤系地层每2～4m捞取1包；煤系地层每1～2m1包；目的层段（煤层）每0.5m1包。2）钻时录井非煤系地层每1～2m记录1个点；煤系地层每0.5～1m记录1个点；目的层井段每0.1m记录1个点。3）钻井循环介质录井准确记录测点井深的钻井循环介质性能资料，如钻井循环介质的类型、密度、粘度、失水量、泥饼、切力、pH值、含砂量、氯离子含量等。2.地质设计2.3地质录井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing地球物理测井将执行《煤层气测井作业规程》。煤层气井测井包括：裸眼标准测井裸眼综合测井固井质量检查测井等。2.地质设计2.4地球物理测井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing裸眼标准测井是对全井进行测井（深度比例为1:500），用以划分地层，判别岩性。裸眼标准测井的测井项目有： 双侧向（DLL）单位：Ω.m 自然电位（SP）单位：mv 自然伽马（GR）单位：API 双井径（CAL）单位：cm1）裸眼标准测井2.地质设计2.4地球物理测井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing2）裸眼综合测井裸眼综合测井是对煤系地层和认为有必要的其它井段进行更细致的测井，用以进行岩性分析、划分煤层及夹矸、划分和判断含水层等。裸眼综合测井的测井项目为： 双测向（DLL）单位：Ω.m 微球形聚焦（MSFL）单位：Ω.m 自然伽马（GR）单位：API 自然电位（SP）单位：mv 双井径（CAL1）（CAL2）单位：cm 补偿密度（DEN）单位：g/cm3 补偿中子（CNL）单位：P.U. 补偿声波（AC）单位：μs/m 井温（TEMP）（连续曲线）单位：℃2.地质设计2.4地球物理测井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing3）固井质量检查测井固井质量检查测井是在固井后进行的全井段地球物理测井，测井的主要项目为声幅、自然伽马、套管接箍测井、声波变密度测井。2.地质设计2.4地球物理测井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing地球物理测井将执行《煤层气测井作业规程》。煤层气井测井包括裸眼标准测井、裸眼综合测井、固井质量检查测井等。1）裸眼标准测井裸眼标准测井是对全井进行测井（深度比例为1:500），用以划分地层，判别岩性。裸眼标准测井的测井项目有： 双侧向（DLL）单位：Ω.m 自然电位（SP）单位：mv 自然伽马（GR）单位：API 双井径（CAL）单位：cm2.地质设计2.4地球物理测井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing煤层气参数井的工程目的主要是通过取心分析和测试，取全取准煤层厚度、煤层埋藏深度、煤岩煤质、煤层气含量、煤的吸附常数与等温吸附曲线、煤及其顶底板的力学性质、储层压力、煤层渗透率、原地应力等主要煤储层参数，为开发项目提供储层资料。2.地质设计2.5取芯与分析测试样品设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing1）取芯设计与岩煤芯录井岩、煤芯录井是对取心钻进中钻取的岩、煤芯进行分层、鉴定、描述，达到建立岩性剖面目的。煤芯到达井口后的出筒、丈量、拍照、装罐等时间不大于10min。2.地质设计2.5取芯与分析测试样品设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing2）测试分析样品设计根据煤层气参数井的工程目的，主要分析项目包括煤层气含量测定、煤层气气体组分分析、煤样的煤岩煤质分析、煤的元素分析、煤样及其煤层顶底板岩样的岩石力学性质测试等。煤芯样主要测试项目：煤层含气量测定（直接法）及气组分析；工业分析、固定炭、真密度、视密度、元素分析等煤质分析；煤岩显微组分和矿物含量测定、镜质体反射率测定煤岩分析；等温吸附等温吸附实验；抗压强度、剪切模量、杨氏模量、泊松比等力学性质等。根据测试需要，煤样的采集一般每0.5m采集1个煤层气含量测定样品，每层煤采集1～3个等温吸附样品和其它测试分析样品。2.地质设计2.5取芯与分析测试样品设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing表单井样品采集数量及分析项目表2.地质设计2.5取芯与分析测试样品设计 序号 分析测试项目 样品数 **号煤层 **号煤层 合计 1 煤层气含量测定 2 气体成分分析 3 等温吸附试验（平衡水条件下） 4 煤的工业分析 5 煤岩显微组分定量分析 6 镜质组反射率测定 7 煤的真密度、视密度 8 煤的元素分析 9 煤的岩力学性质 10 煤层顶板孔隙度 11 煤层顶板渗透率 12 煤层顶板岩力学性质 13 煤层底板孔隙度 14 煤层底板渗透率 15 煤层底板岩力学性质ChinaUniversityofPetroleum,Beijing1）工程目的 了解主要煤层的裂隙发育情况和煤层渗透率 了解钻井过程中钻井液对煤层的伤害程度 了解主要煤层的地层压力及其边界 了解主要煤层的原地应力状况2）测试项目 注入/压降试井 原地应力测试2.地质设计2.6煤层气试井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing3）测试应获取的主要参数 煤层渗透率 储层压力及储层压力梯度 原地应力及应力梯度 破裂压力、闭合压力 表皮系数 调查半径 储层温度等2.地质设计2.6煤层气试井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing4）测试方法选择根据该区的煤层渗透性，采用注入/压降试井方法进行测试是目前最适宜的测试方法。注入/压降试井的主要优点是：a.流体的注入提高了地层压力，保证了在测试过程中为单相流；它适用于负压、正常压力和超压等各种情况的煤层气井；b.不需要井下机械泵送设备，简化了操作步骤，降低了成本；c.可以用标准试井分析方法来分析，结果比较可靠；d.探测半径较大，时间相对较短。2.地质设计2.6煤层气试井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing当然，注入/压降试井也存在不同程度地伤害煤储层和易造成井筒附近煤层出现微破裂问题。造成储层伤害的主要原因是：其一，由于注入的流体可能与地层的化学环境不相容，发生反应；其二，有可能注入了会堵塞储层孔隙的微粒，因此把取自被测试层位的地层水回注到测试井中是最理想的，至少应当采用与地层和气藏流体相容的淡水。如果注入过程中排量控制不好，容易使井底压力超过测试层的破裂压力，就可能会压开地层，产生裂缝，这种裂缝的产生被认为是自然渗透率或井筒伤害的假象，使测试结果不可靠。因此在注入压降过程中一定要保证井底压力低于地层破裂压力。2.地质设计2.6煤层气试井设计ChinaUniversityofPetroleum,Beijing科学系统地进行钻井工程设计是确保钻成高质量煤层气井的前提，任何煤层气井钻井工程设计必须按照如下步骤进行设计。煤层气钻井工程设计步骤示意图3.工程设计3.1工程设计步骤Chart1 0 0 4.29 6 8.58 12 12.87 21 17.16 24 21.45 30.87 25.74 33 30 43 30 43 30 43 84.5 120 139 189 193.5 328 248 450 302.5 466.15 357 476.3 411.5 486.38 466 492.48 482 501.34 498 511.36 514 519.92 530 521.98 546 521.98 562 521.98 578 521.98 590.8 521.98 603.6 521.98 616.4 568 629.2 621.87 642 625.02 642 625.02 642 625.02 642 625.02 642 626.85 36332 636.2 36333 636.2 36334 636.2 36335 636.2 36336 681.5 694 694 694 694设计实际井深（m）井施工进度曲线解吸数据 样品编号 解吸温度（℃） 36,318 0.28 3065 3065 1720 23 36,318 0.28 2870 2870 1720 23 36,318 0.25 2110 2110 1530 23 36,318 0.25 3845 3845 1630 23 36,318 0.22 2716 2716 1800 23 36,318 0.22 1740 1740 1660 23 36,318 0.14 1695 1695 1730 23 36,318 0.11 1085 1085 1820 23 36,318 0.07 880 880 2030 23 36,318 0.15 510 510 740 23 36,319 1.27 2795 5860 1720 23 36,319 1.27 3035 5905 1720 23 36,319 1.24 2825 4935 1530 23 36,319 1.23 3750 7595 1630 23 36,319 1.21 3210 5926 1800 23 36,319 1.21 3060 4800 1660 23 36,319 1.16 2805 4500 1730 23 36,319 1.08 2195 3280 1820 23 36,319 1.10 2095 2975 2030 23 36,319 1.13 4365 4875 740 23 36,320 2.21 1795 7655 1720 23 36,320 2.24 1985 7890 1720 23 36,320 2.17 1830 6765 1530 23 36,320 2.17 2700 10295 1630 23 36,320 2.14 1645 7571 1800 23 36,320 2.11 1840 6640 1660 23 36,320 2.07 1325 5825 1730 23 36,320 2.02 895 4175 1820 23 36,320 2.03 965 3940 2030 23 36,320 2.09 2605 7480 740 23 36,321 3.22 1530 9185 1720 23 36,321 3.23 1420 9310 1720 23 36,321 3.20 1385 8150 1530 23 36,321 3.20 2005 12300 1630 23 36,321 3.17 1045 8616 1800 23 36,321 3.16 1460 8100 1660 23 36,321 3.10 1060 6885 1730 23 36,321 3.05 850 5025 1820 23 36,321 3.06 780 4720 2030 23 36,321 3.11 1865 9345 740 23 36,322 4.21 850 10035 1720 23 36,322 4.22 1273 10583 1720 23 36,322 4.21 1275 9425 1530 23 36,322 4.19 1500 13800 1630 23 36,322 4.17 1170 9786 1800 23 36,322 4.15 1235 9335 1660 23 36,322 4.11 790 7675 1730 23 36,322 4.06 700 5725 1820 23 36,322 4.07 690 5410 2030 23 36,322 4.12 415 9760 740 23 36,323 5.18 880 10915 1720 23 36,323 5.22 1125 11708 1720 23 36,323 5.18 1225 10650 1530 23 36,323 5.19 1250 15050 1630 23 36,323 5.15 1125 10911 1800 23 36,323 5.16 1160 10495 1660 23 36,323 5.10 750 8425 1730 23 36,323 5.04 670 6395 1820 23 36,323 5.04 670 6080 2030 23 36,323 5.09 30 9790 740 23 36,324 5.94 505 11420 1720 23 36,324 5.94 540 12248 1720 23 36,324 5.93 590 11240 1530 23 36,324 5.93 570 15620 1630 23 36,324 5.86 535 11446 1800 23 36,324 5.86 515 11010 1660 23 36,324 5.76 425 8850 1730 23 36,324 5.76 370 6765 1820 23 36,324 5.77 340 6420 2030 23 36,324 5.81 20 9810 740 23 36,325 7.03 720 12140 1720 23 36,325 7.02 775 13023 1720 23 36,325 7.00 780 12020 1530 23 36,325 6.98 760 16380 1630 23 36,325 6.96 885 12331 1800 23 36,325 6.96 785 11795 1660 23 36,325 6.83 550 9400 1730 23 36,325 6.83 490 7255 1820 23 36,325 6.83 425 6845 2030 23 36,325 6.88 10 9820 740 23 36,326 8.10 590 12730 1720 23 36,326 8.09 695 13718 1720 23 36,326 8.06 675 12695 1530 23 36,326 8.06 725 17105 1630 23 36,326 8.04 725 13056 1800 23 36,326 8.03 760 12555 1660 23 36,326 7.91 515 9915 1730 23 36,326 7.92 470 7725 1820 23 36,326 7.93 470 7315 2030 23 36,326 7.97 5 9825 740 23 36,327 9.07 495 13225 1720 23 36,327 9.07 570 14288 1720 23 36,327 9.04 575 13270 1530 23 36,327 9.04 545 17650 1630 23 36,327 9.00 610 13666 1800 23 36,327 9.00 550 13105 1660 23 36,327 8.88 425 10340 1730 23 36,327 8.90 370 8095 1820 23 36,327 8.90 310 7625 2030 23 36,327 0 9825 740 23 36,328 10.18 500 13725 1720 23 36,328 10.18 565 14853 1720 23 36,328 10.15 630 13900 1530 23 36,328 10.14 535 18185 1630 23 36,328 10.11 600 14266 1800 23 36,328 10.11 600 13705 1660 23 36,328 9.98 425 10765 1730 23 36,328 10.01 385 8480 1820 23 36,328 10.01 335 7960 2030 23 36,328 10.05 5 9830 740 23 36,329 11.18 475 14200 1720 23 36,329 11.18 580 15433 1720 23 36,329 11.15 590 14490 1530 23 36,329 11.15 540 18725 1630 23 36,329 11.12 630 14896 1800 23 36,329 11.12 540 14245 1660 23 36,329 11.00 430 11195 1730 23 36,329 11.00 330 8810 1820 23 36,329 11.01 380 8340 2030 23 36,329 0 9830 740 23 36,330 12.01 430 14630 1720 23 36,330 12.00 550 15983 1720 23 36,330 11.98 550 15040 1530 23 36,330 11.97 430 19155 1630 23 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36,303 21.45 30.87 6.87 9.33 0.74 20 70 30 3 36,304 25.74 33.00 2.13 6.08 0.35 20 70 30 4 36,305 30.00 43.00 10.00 11.17 0.90 20 70 30 4 36,306 30.00 43.00 候凝 36,307 30.00 43.00 扫水泥塞 70 30 10 36,308 84.50 120.00 77.00 19.33 3.98 20 70 30 10 36,309 139.00 189.00 69.00 20.67 3.34 50 70 30 10 36,310 193.50 328.00 139.00 20.50 6.78 70 30 10 36,311 248.00 450.00 122.00 22.17 5.50 70 30 10 36,312 302.50 466.15 16.15 5.58 2.89 17 6.5 36,313 357.00 476.30 10.15 19.77 0.51 17 6.5 36,314 411.50 486.38 10.08 21.93 0.46 50 60 17 6 36,315 466.00 492.48 6.10 12.25 0.50 20/60 17 1 36,316 482.00 501.34 8.86 18.23 0.49 36,317 498.00 511.36 10.02 18.13 0.55 40 70 12 1 36,318 514.00 519.92 8.56 7.87 1.09 36,319 530.00 521.98 2.06 4.05 0.51 36,320 546.00 521.98 0.00 8.83 0.00 36,321 562.00 521.98 0.00 0.00 36,322 578.00 521.98 0.00 0.00 36,323 590.80 521.98 0.00 0.00 36,324 603.60 521.98 0.00 0.00 36,325 616.40 568.00 46.02 0.00 36,326 629.20 621.87 53.87 0.00 36,327 642.00 625.02 3.15 0.00 36,328 642.00 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